Hvordan laserpulser kan manipulere magnetisering via ultrahurtig overførsel af elektroner

Kombination af eksperiment og teori, forskere fra Max Born Institute for Nonlinear Optics and Short Pulse Spectroscopy (MBI) og Max Planck Institute of Microstructure Physics har adskilt, hvordan laserpulser kan manipulere magnetisering via ultrahurtig overførsel af elektroner mellem atomer.

Nanometer-tynde film af magnetiske materialer er ideelle testsubstrater til at studere grundlæggende problemer inden for magnetisme. Sådanne tynde magnetiske film har vigtige teknologiske anvendelser, for eksempel, de bruges i magnetiske masselagringsenheder, der bruges i clouddatalagringscentre. I den nuværende teknologi, magnetiseringen i disse tynde film manipuleres via magnetfelter, men det er også muligt at påvirke magnetiseringen ved hjælp af laserpulser. Når den udsættes for ultrakorte lyspulser på kun et par snes femtosekunds varighed (1 femtosekund =1 milliontedel af en milliarddel af et sekund), magnetiseringen under laserpunktet ændres. I simple systemer, denne ændring svarer ofte til et simpelt fald i magnetiseringsstørrelsen. I mere komplekse materialesystemer, imidlertid, lyspulsen kan også permanent vende magnetiseringen. I sådanne tilfælde, forskere taler om all-optisk magnetiseringskifte med indlysende potentielle applikationer. Den bemærkelsesværdige hastighed ved denne omstillingsproces er endnu ikke forstået. Af denne grund, forskningsgrupper rundt om i verden undersøger de mikroskopiske processer, der ligger til grund for femtomagnetisme.

Forskere fra Max Born Institute i Berlin og Max Planck Institute for Microstructure Physics i Halle, kombinerer eksperimentelt og teoretisk arbejde, har nu været vidne til en ny mikroskopisk proces, kaldet optisk intersite spin -transport (OISTR), der blev forudsagt for nylig. Processen kan forekomme, når passende atomer af forskellige typer er tilstødende i et fast stof. Under passende forhold, en lyspuls udløser en forskydning af elektroner fra et atom til dets nabo. Vigtigere, dette sker overvejende med elektroner med en bestemt spinorientering, og påvirker dermed den lokale magnetisering. Denne proces finder sted under optisk excitation og er ikke afhængig af sekundære mekanismer. Det er, derfor, den hurtigste tænkelige proces, der fører til en lysinduceret ændring i magnetisme.

Et atom i et fast stof, der er magnetiseret, kan forestilles som at have separate reservoirer med spin-up og spin-down elektroner, som fyldes i et andet omfang. For et kobolt (Co) og Platinum (Pt) atom, der er naboer til hinanden i en CoPt -legering, dette er skitseret i figur 1. Forskellen i antallet af spin-up og spin-down elektroner (tegnet i rødt og blåt) bestemmer mængden af ​​magnetisering af atomet. Hvis magnetiseringen reduceres, antallet af de to spintyper skal udligne. En velkendt proces til at udjævne begge reservoirer til et atom er en spin-flip, hvori, for eksempel, en spin-down elektron bliver til en spin-up elektron-repræsenteret ved et spring fra den blå spand ind i den røde spand i figur 1. Disse spin-flips forekommer overvejende ved tunge atomer som Pt, hvor spin reagerer særligt følsomt på elektronens bevægelse-fysikere taler om en stor spin-orbit-kobling. Vinkelmomentet, der udsendes i denne spin-flip-proces, absorberes af hele rækken af ​​atomer i det faste stof.

I denne undersøgelse, offentliggjort i tidsskriftet Naturkommunikation , forskerne undersøgte to modelsystemer, et rent Co -lag og en CoPt -legering. Teamet overvåger absorptionen af ​​ultrakorte pulser af bløde røntgenstråler med kontrolleret bølgelængde og polarisering efter en laserpuls-excitation og sammenlignede deres eksperimentelle fund med teoretiske beregninger som vist i figur 2. På denne måde, ændringerne i antallet af elektroner med spin-up og spin-down udløst af den indledende laserpuls kunne undersøges separat for Co- og Pt-atomerne.

Sammenligningen mellem det simple system, der udelukkende indeholder Co -atomer (venstre panel i figur 2) og legeringen, indeholdende både Co- og Pt -atomer (højre panel) viser markante forskelle i absorptionsadfærden, som uafhængigt forudsiges af de teoretiske beregninger. Disse forskelle opstår, da der i CoPt -legeringen kan finde en yderligere proces sted, hvor elektroner overføres mellem de forskellige typer af nærliggende atomer.

På grund af laserpulsen, elektroner i det faste stof overføres fra Pt -atomerne til Co -atomerne. Det viser sig, at disse fortrinsvis er spin-down elektroner, fordi mange tomme tilstande for spin-down elektroner er tilgængelige på det modtagende Co-sted. Ved Co -atomet, de overførte elektroner, dermed, øge niveauet af spin-down elektronerne (rødt i figur 2), hvilket gør det mere lig spin-up reservoiret og dermed reducerer Co-atomets magnetiske moment. Denne OISTR -proces mellem Pt og Co ledsages af en nivellering af elektronreservoirerne lokalt ved Pt -atomerne via spin -flips. Denne spin-flip sker effektivt ved de tunge Pt-atomer, der udviser stor spin-orbit-kobling og kun i langt mindre grad ved de lettere Co-atomer.

De detaljerede resultater af undersøgelsen viser, at evnen til optisk at manipulere magnetisering via optisk internt spin-transport afhænger afgørende af de tilgængelige tilstande for spin-up og spin-down elektroner af de involverede atomer. Disse tilstande kan skræddersys ved at bringe de rigtige typer atomer sammen i nye materialer. Forståelsen af ​​de mikroskopiske mekanismer, der er involveret i den optiske manipulation af magnetiseringen, dermed, baner vejen til et rationelt design af nye funktionelle magnetiske materialer, muliggør ultrahurtig kontrol af magnetisering via laserpulser.